严寒地区小型水电站闸门冬季运行措施的探讨

刘 刚

（华能甘肃水电开发有限公司，甘肃 兰州 730060）

1 概述

严寒地区的河流，冬季河道封冻，水电站建筑物和设备设施冻害严重，影响电站安全稳定运行。其中各类水工闸门冬季的正常运行直接影响到电站的机组运行、调节蓄水位、泄水排凌等重要操作，对事故防范有重要意义。我们通过在严寒地区的小型水电站闸门冬季运行实例，探讨闸门的防冻措施和运行措施，有效保证水工闸门的冬季运行安全。

1.1 电站基本情况

西北严寒地区某引水式小型水电站，高水头混流式机组，海拔约2 800 m～3 000 m。电站主要建筑物包括首部枢纽、引水暗渠、压力前池、压力钢管、厂房、尾水渠等。

电站因引水发电、防洪度汛、控制水位、冲沙排凌等要求在枢纽、进水口、前池、尾水渠等部位设置闸门控制水流，具体设施布置情况为：首部枢纽依次设有泄洪闸、排冰闸、冲沙闸，采用平板闸门，手动螺杆启闭机启闭，在门槽埋件部位预埋箱式油加热装置，循环油箱内设置高功率电加热棒。运行期为提高泄洪能力和解决冬季闸门提升困难问题，通过技改在首部枢纽增加了一孔弧门，采取卷扬式启闭机启闭，在门槽埋件和门叶部位设置封闭式加热电缆。进水口部位设有进水闸，采用平板闸门，卷扬式启闭机启闭。前池部位设有排沙闸，采用平板闸门，螺杆启闭机启闭，在门槽部位预埋箱式油加热装置。

1.2 冬季运行环境

河道冬季来水量小，平均流量在10 m3/s，河道内冰凌严重，极端气温零下30 °C，冰期天数长达124 d，河心冰厚1.5 m，岸坡冰厚1.0 m。因来水流量小、温差使得库岸和河道形成冰水交替分层的混合物，在闸门附近水面形成较厚冰盖。平板闸门前部形成冰墙，闸门后部和门槽冻结，闸门导轨在门槽内无法正常滑动，严重时无法启闭。弧门的支铰和门楣处会冻结，影响正常启闭。

2 冬季运行特点

2.1 运行模式

电站冬季运行期，在每年10 月至11 月底的初冰期，冰层较薄，在闸门部分门叶和门槽处进行除冰操作，来保证闸门正常启闭。在每年12 月至翌年2 月的盛冰期，渠首库区局部形成冻结冰盖，电站前池、渠道大量壅冰，电站运行需要根据冰凌量的多少，采取防冻除冰措施保证定期启闭闸门，泄水排凌，避免库区、渠道前池出现冰凌拥堵情况，影响机组设备正常运行。

2.2 运行存在的问题

（1）水工闸门设施，包括渠首、前池、尾水部位的各类进泄水闸、排沙排冰闸等会被冰封冻，门槽冻结，闸门不能灵活启闭，同时易破坏闸门水封止水。

（2）冬季运行期间，闸门止水封闭不严存在漏水的，会在闸门后部形成大体积地坚硬冰块，限制闸门提升。另外闸室为开敞式时，工作闸门关闭时门后部为临空面，温度散失较快，闸门前部会形成30～40 cm厚的冰墙，造成闸门提起后也无法正常泄水。

（3）冬季电站运行排沙次数减少，闸门开启频率降低，因气候寒冷会使闸门前淤积的泥沙与门冻结一体，影响闸门开启。

（4）平板闸门冬季启闭时，螺杆启闭机启闭速度慢，平板闸门门前直接承受冰压力，冰层巨大推力会造成闸门和螺杆变形，给安全运行带来严重威胁。

3 主要防范措施和做法

冬季运行要避免冰面压力直接作用在闸门表面，要合理解决水工闸门和门槽的冰冻问题，需要采取相应的防冻除冰措施和运行措施来保证闸门开启不受冰阻碍作用影响。

3.1 防冻除冰措施

寒冷地区的闸坝，库区水面形成冰盖，门前冰压力和门槽结冰会影响闸门正常启闭。常用的防冻除冰方法有：人工除冰法、压缩空气除冰法、水泵扰动破冰法、循环油导热法、电伴热除冰法等。实践运行中可以结合闸门形式，多种办法联合使用，取得较好的防冻除冰效果。

人工除冰使用除冰工具人工凿冰，将闸门前后或门槽积冰清除，使闸门本体与冰面分离。适用于除冰工作量小的时段，操作简单，但是作业条件恶劣，安全隐患多，易发生事故，不建议采用。

压缩空气除冰法、水泵扰动破冰法采用方法是利用空气压缩机或潜水泵定时送入压缩空气或压力水，在闸门前使温度较高的深层水和温度较低的浅层水形成对流，保证闸门处水面不会冻结。这种方式在闸门尺寸较小、冰层不厚的部位较适用，使用的设备设施较简单。

循环油导热法采取在门槽埋件部位设置油槽加热装置，在油槽内设置电加热棒，用防冻油、油泵、油槽组成油循环系统，通过热传导作用，将门槽和闸门门体加热。主要用于门槽和底坎等部位加热，对加热温度实时控制，能对水封止水有效保护。

电热除冰法是在闸门后部采用电伴热带，目前较多采用发热电缆。电伴热带包括埋件部分和门叶部分，埋件加热带敷设于两侧侧轨内，门叶加热带设于门叶背面梁格内。在闸门门后梁格内、上游面板敷设发热电缆（需要根据实际除冰要求计算敷设电缆的发热量），用5 mm 厚钢板覆盖形成空腔，钢板上设计有可拆卸的检修孔，检修孔周边设计橡胶水封。发热电缆安装后，覆盖一层铝箔反射膜，同时安装聚氨酯保温材料隔热保温。发热电缆敷设时分层分组布置，使用时根据具体冰情分层、分组投入或全部投入使用。通电后发热电缆产生热量传导至闸门面板上，可在门前形成融冰间隙，防止冰冻直接与闸门接触粘连，影响闸门启闭。冬季闸门开启前提前投入，融化门槽部位和门前冻结冰，效果较好。

在本例水电站中，平板闸门门槽埋件采取油循环加热方式，采用电加热棒控制温升，但是油循环装置故障较多，影响除冰效果。弧门采取发热电缆加热方式，启闭效果较好，对水封止水能有效保护。在枢纽闸门和压力前池闸门前采取水泵扰动破冰法，对平板闸门启闭有一定的效果，但在极端气温和冰层较厚时作用有限。图1 是本例电站门叶采用发热电缆除冰示意图。

图1 门叶发热敷设剖视图

3.2 运行措施

（1）掌握天气气温变化情况，加强对河流水情、冰情的监测，掌握冰凌进入库区情况和排凌时间，提前做好预控和准备工作。

（2）冬季投运前应对各泄水闸门、启闭设备、负荷电源及应急电源等进行全面检查，确保设备可靠启动投退，对启闭用的钢丝绳、螺杆等重点部件进行维护检查，并定期小开度(10 cm)开启闸门启闭检查。

（3）进入冬季运行期间，启闭闸门操作提前投入闸门及门槽加热装置，启动时注意闸门两侧载重情况，防止支铰失衡。加热装置根据冬季气温、河道结冰情况投退，门叶加热装置根据闸门前水位、冰层厚度选择不同分区进行加热，确保闸门不承受静冰荷载。

（4）采取潜水泵扰动破冰方式时，需要掌握闸前冰层厚度，保证水泵入水深度、出水口的高度以及水泵开启频率的合理性，达到破冰效果。

（5）对于潜孔闸门，要检查水封止水特别是顶水封的效果，及时更换。合理控制冬季运行水位，减少闸门漏水量，减少闸门后部支铰或密闭加热装置的结冰影响。

4 结语

高寒高海拔地区小型水电站各类闸门的冬季运行一直是难题，同时各电站设备、冰情水情和运行模式不一，目前还没有找到彻底有效的解决方法。闸门冬季的防冻措施和运行策略是关键，需要结合设备运行实践，因地制宜，了解河流来冰规律，制订切实可行、安全可靠的运行模式和预防措施，最大程度减少冰害冻害对闸门正常运行的影响，保证电站冬季安全运行。